La potencia de los aerogeneradores alcanzaba los cincuenta kilovatios por pieza en la década de 1980. A principios del siglo XXI, estas máquinas son regularmente cien veces más potentes y mucho mas eficientes, además de silenciosas y duraderas.
La expansión del mercado eólico europeo significó fuertes de economías de escala en todos los componentes, algo que permitió bajar los costos desde casi tres mil dólares por kilovatio instalado a principios de los ‘80.
Entre el cubo de la hélice y la salida eléctrica de sus bornes, las turbinas son tan eficientes en la actualidad que apenas pierden el 7% de la energía que captan del viento. La eficiencia aerodinámica de las palas fue subiendo hasta aproximadamente el cincuenta por ciento, ya muy cerca del tope teórico, o límite de Betz, imposible de alcanzar en la práctica. Debido a esta suma de eficiencias y a la evolución del diseño mecánico y estructural, las máquinas de hoy son bastante silenciosas, pese a su tamaño.
Dado que la velocidad del viento es impredecible con antelación superior a una hora, a principios de los ‘80 se decía que el sector eólico jamás podría aportar más del 10% de la corriente circulante a ninguna red, porque de otro modo la desequilibraría. En la actualidad se admiten “factores de penetración” mucho mayores: en Dinamarca, el aporte eólico real en términos de energía (MWh/año) supera el 20% y en España es del 12%, llegando a factores de penetración en términos de potencia (MW) de hasta el 50%, sin que haya habido problemas de estabilidad en las redes, ni merma en la calidad del servicio de suministro eléctrico.
La tendencia señala que el tamaño de los aerogeneradores es cada vez mayor. En las granjas “off shore” de Europa se ven molinos de 100 o 120 metros de altura, con hélices que barren lentamente círculos de 80 y hasta 120 metros de diámetro y generan hasta 6 megavatios por unidad, aunque los mas habituales son los modelos de 1,5 a 3 megavatios.
Los aparatos contemporáneos, por su misma espectacularidad, generan algunas preguntas inevitables:
¿Cuánto duran?
Pese a su creciente tamaño, que las somete a cargas cada vez mayores en toda la cadena cinemática, las turbinas se tornan más confiables. Cada turbina es una central eléctrica autónoma e inteligente, que rinde corriente de “calidad de red” y resulta capaz de atenderse sola en condiciones muy cambiantes, aunque también puede ser monitoreada y dirigida por un humano desde una sala de control remota en cualquier lugar del planeta.
La vida útil de diseño que adoptan todos los fabricantes es de 20 años, lo que supone el equivalente a mas de 50.000 horas de funcionamiento a plena potencia, para las condiciones operativas europeas, mucho menos ventosas que las de Argentina. En ese período se comprende el mantenimiento normal, la supervisión y el reemplazo programado de partes consumibles.
Molinos de viento: ¿por qué tienen esa forma y con qué se construyen?
Entre los años ‘70 y ‘80 Alemania y Dinamarca probaron los diseños y los materiales que se muestran como dominantes en la actualidad. Una década después, los productores de España, India y China que adoptaron esos modelos en lo que se llamó la “segunda ola” de producción de aerogeneradores.
Las aspas de la hélice son los componentes más crítico y susceptible a sufrir fatiga. Se probó fabricarlas con diversos materiales, como el aluminio (de escasa resistencia a la fatiga de materiales), de acero (demasiado pesado) y también de combinaciones de maderas y epóxidos (como las estadounidenses Gougeon). Finalmente los plásticos reforzados con fibras, en general de vidrio, demostraron ser más eficientes.
El primer plástico fue el poliéster. En busca de mayor ligereza, ese material está siendo desplazado por las resinas epóxicas infundidas sobre fibra de vidrio. Todos estos compuestos ofrecen gran resistencia con escaso peso. Tienen como único inconveniente que requieren una fabricación más artesanal, pieza por pieza, demandando muchos puestos calificados. Por ello en el hemisferio norte, la alta incidencia del salario en una pieza tan intensiva en trabajo hace que la hélice represente el 20% del costo total de la turbina.
Hélices más veloces significan siempre menos cargas sobre los trenes de transmisión, pero más ruido. Y como a las turbinas marinas se les permite ser más ruidosas que las terrestres sin infringir leyes de impacto ambiental, se les da por diseño mayor velocidad de giro y palas más largas. Por eso ya se ven máquinas off-shore con hélices que superan los 100 metros de diámetro, las que llegan a la frontera de los 5 megavatios.
La evolución hacia palas cada vez más largas y delgadas obliga a utilizar materiales aún más resistentes que los actuales. La fibra de vidrio empieza a dar paso a la fibra de carbono, e incluso ya se producen aspas ultralivianas y ultrarrígidas de fibra de carbono, o de compuestos de madera laminada y carbono puro.
¿Por qué todos los fabricantes hoy usan hélices de tres palas?
A fines del siglo XX se experimentó el diseño de hélices monopala, bipala y tripala. Entre las primeras, fabricadas en los ’80, se destacaron las Riva-Calzoni y las Messerschmidt, con perfiles compensados por contrapesos. Eran eficientes pero vulnerables a vibraciones, principalmente porque el perfil alar generaba mucho empuje axial a diferencia del contrapeso. Aunque el rotor monopala tuviera masas balanceadas por diseño, se descompensaba en momentos y fuerzas axiales al girar. Esas máquinas encontraron pocos adeptos por ser demasiado veloces, ruidosas y poco eficientes.
Las hélices bipala y tripala pueden competir entre sí por sus prestaciones, sin ventajas decisivas para ninguna. En grandes turbinas, la hélice tripala es algo mejor por su momento de inercia constante respecto del eje azimutal. Dicho de otro modo, cuando la máquina gira sobre su eje vertical como una veleta para encarar el viento, la tripala no pierde su suavidad de rotación.
Añadir palas es añadir costos, porque son muy caras. Además, se probó que más de tres palas no implica una mejor cosecha eléctrica. Por lo tanto, la hélice tripala se afianzó como el diseño más utilizado.
¿Por qué todos los fabricantes construyen máquinas de eje horizontal?
Junto con la imposición del diseño de las turbinas tripala de eje horizontal llegó la desaparición del concepto Darreius, la curiosa turbina de eje vertical y perfiles de forma elíptica.
En la actualidad, las turbinas son muy diferentes a las que se fabricaban en los ’80.
En la actualidad existen varias “familias tecnológicas” de turbinas, en algunos casos derivadas unas de otras en coexistencia simultánea en los países avanzados. Si bien comparten el diseño común de aparato tripala con eje horizontal, se han producido cambios evolutivos notables en dos grandes frentes del diseño: el control de la velocidad de las hélices y la transmisión de su movimiento a los generadores.
La velocidad de hélice debe ser controlada siempre. El problema a evadir en cualquier turbina es que los vientos demasiado fuertes no hagan pasarse de vueltas al generador porque puede sobrecalentarlo y quemarlo, con el riesgo adicional de sobrecargar los componentes mecánicos y estructurales además del de transgredir los límites de tensión y frecuencia en los bornes de salida.
En principio, se trató de evitar esto manteniendo fija la velocidad de la hélice, sin importar la del viento, mediante controles aerodinámicos y luego “de red”. A mediados de los ‘80, el molino típico disponible en el mercado tenía unos 200 kilovatios y tenía hélice con aspas de paso fijo. La velocidad de giro de la hélice era regulada por la frecuencia de la red eléctrica, manteniendo constante la velocidad del rotor aunque el viento se acelerase mucho.
Al frenarse “por efecto de red”, la hélice entraba en pérdida, es decir, las aspas perdían sustentación en el viento. El concepto funcionó bien: se ganaba simplicidad al evitar un lazo de control de velocidad y un buen número de piezas móviles.
Ese diseño llamado “Danés” o “Stall” (pérdida aerodinámica) pasó por una fase de perfeccionamiento, el “Active Stall”, en la que se añadía un segundo mecanismo tendiente a conservar fija la velocidad de la hélice y aumentar la eficiencia de la máquina. Ese mecanismo, denominado “pitch”, consiste en permitirle un paso variable a las aspas, esto es, un cambio limitado de su ángulo de ataque respecto del viento para mejorar y disminuir su sustentación.
Las Active Stall mejoraron la cosecha de energía y las turbinas alcanzaron un megavatio de potencia. Entre tanto, mientras el diseño migraba hacia molinos cada vez mayores, se demostró que la transmisión sufría menos y la cosecha de viento mejoraba si se dejaba fluctuar la hélice en velocidad por mecanismos de “resbalamiento”,
El desafío entonces fue lograr que la frecuencia de la corriente entregada a la red fuera constante, algo que se podía lograr por métodos electrónicos, más que mecánicos, con convertidores de frecuencia. El obstáculo fue que la electrónica de potencia tenía costo muy alto en los ‘80. Sin embargo, desde entonces su precio ha disminuido.
De modo simultáneo, el control de velocidad por “stall” fue perdiendo terreno frente al control por “pitch”, con aspas que podían cambiar fuertemente su ángulo de paso. Este sistema probó ser superior por la mejor forma de la “curva de potencia” a la hora de comparar la cosecha energética.
Asimismo, se comenzaron a fabricar los molinos de dos generadores, o de un único generador capaz de operar a dos velocidades distintas. Con este tipo de generadores, las máquinas “stall” lograban competir en cosecha de energía con las “pitch”, sus sucesoras.
La experiencia con hélices de velocidad y paso variable dejó como enseñanza que cuando la velocidad de la hélice deja de fluctuar de modo importante, resulta innecesario ralizar ajustes constantes de “pitch” o paso para intermediar entre las variaciones del viento y la constancia de frecuencia exigida por la red.
¿Cómo es el equipo moderno “estándar”?
Luego de más de treinta años de experimentación, el aerogenerador moderno más común en la actualidad tiene hélice de velocidad variable y se regula por “pitch”. Una de las cuestiones en debate es si debe tener o no caja multiplicadora.
El aerogenerador moderno es un aparato de gran tamaño. Incluso se están probando máquinas de 5 ó 6 megavatios y es posible que sean aún más potentes. Si bien parece no haber una barrera tecnológica, existe un freno en el campo de los costos de los materiales utilizados en su fabricación, como la fibra de carbono.
En la actualidad no se suelen fabricar equipos debajo del megavatio unitario, salvo en algunos países en desarrollo, donde los fabricantes europeos empiezan a montar fábricas para producir a bajo costo los modelos de fines de los ’80.
Asimismo, el desarrollo de las turbinas off-shore que cosechan viento mar adentro está creciendo en el mundo. Algo que representa un gran desafío en el campo del diseño, la fabricación y el montaje de nuevas generaciones de aerogeneradores.
